Аккумулятор (вычислительный) - Accumulator (computing)

Механический вычислитель Walther WSR-16. Ряд колесиков с цифрами в каретке (спереди) - это аккумулятор.

В компьютер центральный процессор (ЦПУ ), аккумулятор это регистр в котором средний арифметика и логика результаты сохраняются.

Без регистр как аккумулятор, нужно было бы записывать результат каждого вычисления (сложение, умножение, сдвиг и т. д.) основная память, возможно, только для того, чтобы снова прочитать его для использования в следующем операция. Доступ к основной памяти медленнее, чем доступ к регистру, например к аккумулятору, потому что технология, используемая для большой основной памяти, медленнее (но дешевле), чем технология, используемая для регистра. Ранние электронно-вычислительные системы часто разделялись на две группы: с аккумуляторами и без них.

Современные компьютерные системы часто имеют несколько регистров общего назначения, которые работают как накопители, и этот термин уже не так распространен, как раньше. Однако ряд процессоров специального назначения все еще используют для своей работы один аккумулятор, чтобы упростить конструкцию.

Основная концепция

Математические операции часто выполняются поэтапно, с использованием результатов одной операции в качестве входных данных для следующей. Например, расчет еженедельной заработной платы рабочего вручную может выглядеть примерно так:

  1. посмотреть количество отработанных часов в табеле рабочего времени сотрудника
  2. найдите ставку заработной платы для этого сотрудника из таблицы
  3. умножьте часы на ставку заработной платы, чтобы получить базовую еженедельную оплату
  4. умножьте свою базовую заработную плату на фиксированный процент для учета подоходного налога
  5. вычтите это число из своей базовой заработной платы, чтобы получать еженедельную зарплату после уплаты налогов
  6. умножьте этот результат на другой фиксированный процент, чтобы учесть пенсионные планы
  7. вычтите это число из основной заработной платы, чтобы получить еженедельную зарплату после всех удержаний.

Компьютерная программа, выполняющая ту же задачу, будет следовать той же базовой последовательности операций, хотя все искомые значения будут храниться в памяти компьютера. В ранних компьютерах количество часов, вероятно, было бы проведено перфокарты и ставка вознаграждения в какой-то другой форме памяти, возможно, магнитный барабан. После завершения умножения результат нужно куда-то поместить. На «драм-машине» это, скорее всего, будет возвращаться к барабану, а операция занимает значительное время. А затем следующая операция должна прочитать это значение обратно, что вносит еще одну значительную задержку.

Накопители значительно улучшают производительность в таких системах, предоставляя область блокнота, в которой результаты одной операции могут быть переданы следующей операции с небольшим или нулевым снижением производительности. В приведенном выше примере базовая еженедельная заработная плата будет рассчитана и помещена в накопитель, который затем может быть немедленно использован при расчете подоходного налога. Это удаляет одну операцию сохранения и одну операцию чтения из последовательности, операции, которые обычно занимали в десятки или сотни раз больше времени, чем само умножение.

Аккумуляторные машины

An аккумуляторная машина, также называемый 1-операндная машина, или процессор с аккумуляторная архитектура, представляет собой разновидность ЦП, где, хотя он может иметь несколько регистров, ЦП в основном хранит результаты вычислений в одном специальном регистре, обычно называемом «аккумулятор». Практически все ранние компьютеры были аккумуляторными машинами только с высокопроизводительными компьютерами.суперкомпьютеры "имея несколько регистров. Тогда как мэйнфрейм системы уступили место микрокомпьютеры, архитектура аккумуляторов снова стала популярной в MOS 6502 являясь ярким примером. Многие 8-битные микроконтроллеры которые по-прежнему популярны с 2014 года, например PICmicro и 8051, являются аккумуляторными машинами.

Современные процессоры обычно представляют собой машины с двумя или тремя операндами. Дополнительные операнды указывают, какой из многих регистры общего назначения (также называемые «аккумуляторы общего назначения»[1]) используются в качестве источника и назначения для расчетов. Эти процессоры не считаются «аккумуляторными машинами».

Характеристика, которая отличает один регистр как аккумулятор компьютерная архитектура состоит в том, что аккумулятор (если бы он был в архитектуре) использовался бы как скрытый операнд для арифметики инструкции. Например, у процессора может быть такая инструкция: ДОБАВИТЬ мемадрес который добавляет значение, прочитанное из ячейки памяти мемадрес к значению в аккумуляторе, возвращая результат в аккумулятор. Аккумулятор не идентифицируется в инструкции номером регистра; это скрытый в инструкции и никакой другой регистр не может быть указан в инструкции. Некоторые архитектуры используют конкретный регистр в качестве аккумулятора в некоторых инструкциях, но другие инструкции используют номера регистров для явной спецификации операндов.

История компьютерного аккумулятора

Любую систему, которая использует одну «память» для хранения результатов нескольких операций, можно рассматривать как аккумулятор. Дж. Преспер Эккерт относится даже к самым ранним счетные машины из Готфрид Лейбниц и Блез Паскаль как аккумуляторные системы.[2] Перси Ладгейт был первым, кто задумал множитель-накопитель (MAC) в своей Аналитической машине 1909 года.[3]

Историческое соглашение посвящает регистр «аккумулятору», «арифметическому органу», который буквально накапливает свой номер во время последовательности арифметических операций:

«Первая часть нашего арифметического органа ... должна быть параллельным органом хранения, который может получать число и добавлять его к уже имеющемуся, который также может очищать свое содержимое и который может хранить то, что он содержит. Мы будем Назовите такой орган аккумулятором. Он в принципе вполне обычен в прошлых и настоящих вычислительных машинах самых разных типов, например настольных умножителях, стандартных счетчиках IBM, более современных релейных машинах, ENIAC »(Goldstine and von Neumann, 1946; p. 98 в Bell and Newell 1971).

Вот лишь некоторые из инструкций, например (в некоторой современной интерпретации):

  • Очистить аккумулятор и добавить число из ячейки памяти X
  • Очистить аккумулятор и вычесть число из ячейки памяти X
  • Добавить число, скопированное из ячейки памяти X, в содержимое аккумулятора.
  • Вычтите число, скопированное из ячейки памяти X, из содержимого аккумулятора.
  • Очистить аккумулятор и переместить содержимое регистра в аккумулятор

Не существует соглашения об именах операций от регистров к аккумулятору и от аккумулятора к регистрам. Традиция (например, Дональд Кнут (1973) гипотетический СМЕШИВАНИЕ компьютер), например, использует две инструкции, называемые аккумулятор нагрузки из регистра / памяти (например, "LDA r") и хранить аккумулятор для регистрации / памяти (например, "STA r"). Модель Кнута также имеет много других инструкций.

Известные компьютеры на базе аккумуляторов

Передняя панель IBM 701 компьютер с подсветкой, отображающей аккумулятор и другие регистры

Конфигурация 1945 г. ENIAC имел 20 аккумуляторов, которые могли работать параллельно.[4]:46 Каждый мог хранить восьмизначное десятичное число и прибавлять к нему (или вычитать из него) полученное число.[4]:33 Большинство ранних бинарных "научных" компьютеров IBM, начиная с электронных ламп IBM 701 в 1952 г. использовался один 36-битный аккумулятор вместе с отдельным регистром множителя / частного для обработки операций с более длинными результатами. В IBM 650 десятичный автомат имел один десятизначный распределитель и два десятизначных аккумулятора; то IBM 7070, более поздняя транзисторная десятичная машина имела три аккумулятора. В IBM System / 360, и Корпорация цифрового оборудования с PDP-6, имел 16 регистров общего назначения, хотя PDP-6 и его преемник, PDP-10 Назовите их аккумуляторами.

12-битный PDP-8 был одним из первых миникомпьютеров, в которых использовались аккумуляторы, и вдохновил многие более поздние машины.[5] У PDP-8 был только один аккумулятор. В HP 2100 и Данные General Nova имел 2 и 4 аккумулятора. Nova была создана, когда это продолжение PDP-8 было отклонено в пользу того, что впоследствии стало PDP-11. Nova предоставила четыре аккумулятора, AC0-AC3, хотя AC2 и AC3 также можно было использовать для получения адресов смещения, что привело к более универсальному использованию регистров. PDP-11 имеет 8 регистров общего назначения, аналогично System / 360 и PDP-10; большинство более поздних машин CISC и RISC предоставляли несколько регистров общего назначения.

Ранние 4-битные и 8-битные микропроцессоры, такие как 4004, 8008 и многие другие, как правило, имели одиночные аккумуляторы. В 8051 микроконтроллер имеет два, первичный аккумулятор и вторичный аккумулятор, где второй используется командами только при умножении (MUL AB) или делении (DIV AB); первый разделяет 16-битный результат между двумя 8-битными аккумуляторами, тогда как последний сохраняет частное на первичном аккумуляторе A, а остаток во вторичном аккумуляторе B. Как прямой потомок 8008, 8080, а 8086, современные повсеместные Intel x86 процессоры по-прежнему используют первичный аккумулятор EAX и вторичный аккумулятор EDX для умножения и деления больших чисел. Например, MUL ECX умножит 32-битные регистры ECX и EAX и разделит 64-битный результат между EAX и EDX. Однако MUL и DIV - особые случаи; другие арифметико-логические инструкции (ADD, SUB, CMP, AND, OR, XOR, TEST) могут указывать любой из восьми регистров EAX, ECX, EDX, EBX, ESP, EBP, ESI, EDI в качестве аккумулятора (т.е. левый операнд и пункт назначения). Это также поддерживается для умножения, если верхняя половина результата не требуется. Таким образом, x86 - это довольно общая архитектура регистров, несмотря на то, что она основана на модели аккумулятора.[6] 64-битное расширение x86, x86-64, был дополнительно обобщен до 16 вместо 8 общих регистров.

Рекомендации

  1. ^ «Обзор HC16». Freescale.com. Архивировано из оригинал 28 сентября 2007 г.. Получено 2008-09-22.
  2. ^ Дж. Преспер Эккерт, "Обзор систем памяти цифровых компьютеров", IEEE Annals of the History of Computing, 1988, pp. 15-28.
  3. ^ «Возможности аналитической машины Ладгейта».
  4. ^ а б Хей, Томас; Пристли, Марк; Веревка, Криспин (2016). ENIAC в действии: создание и переделка современного компьютера. MIT Press. ISBN  9780262334419.
  5. ^ Корпорация цифрового оборудования, Мейнард, Массачусетс (1961) "ПРОГРАММИРОВАННЫЙ ПРОЦЕССОР ДАННЫХ-1 РУКОВОДСТВО ", стр. 7: блок-схема системы PDP-1 accessdate = 2014-07-03. PDP-1 был 18-битным процессором и был предшественником PDP-8
    • TX-0 был транзисторным предшественником PDP-1
    • Вихрь I был предшественником вакуумной лампы Tx-0
  6. ^ Ирвин, Кип Р. (2007). Язык ассемблера для компьютеров на базе Intel (5-е изд.). Пирсон Прентис Холл. С. 633, 622. ISBN  0-13-238310-1.
  • Голдстайн, Герман Х., и фон Нейман, Джон, "Планирование и кодирование задач для электронного вычислительного прибора", Rep. 1947, Институт перспективных исследований, Принстон. Перепечатано на стр. 92–119 в Bell, C. Gordon and Newell, Allen (1971), Компьютерные структуры: литература и примеры, McGraw-Hill Book Company, Нью-Йорк. ISBN  0-07-004357-4}. Настоящая сокровищница подробных описаний древних машин, включая фотографии.